FR2615331A1

FR2615331A1 - LASER

Info

Publication number: FR2615331A1
Application number: FR8806341A
Authority: FR
Inventors: Yehuda Meinhardt
Original assignee: GALRAM Tech IND Ltd
Current assignee: GALRAM Tech IND Ltd
Priority date: 1987-05-15
Filing date: 1988-05-11
Publication date: 1988-11-18
Also published as: GB8811566D0; US4910742A; IL82545A0; GB2205991A; JPH01138773A; IL82545A; FR2615331B3; GB2205991B; DE3816413A1

Abstract

PROCEDE DE COMMANDE D'UN LASER A GAZ PROCURANT UNE PUISSANCE DE SORTIE ACCRUE PAR RAPPORT AUX LASERS USUELS DE MEME DIMENSION, ET LASER MODIFIE CONFORMEMENT A CE PROCEDE. ON ETABLIT UN CHAMP MAGNETIQUE AXIAL ET UN CHAMP ELECTRIQUE PARALLELE OU PERPENDICULAIRE AU CHAMP MAGNETIQUE, L'INTERACTION DE CES CHAMPS ENGENDRANT UNE INSTABILITE DE CONVEXION ACCRUE DE LA DECHARGE DE GAZ, QUI A POUR EFFET D'AUGMENTER LE TRANSFERT DE CHALEUR AUX PAROIS DU LASER. LA DECHARGE LASER EST AXIALE ET PARALLELE AU CHAMP MAGNETIQUE. LES COMPOSANTS DU LASER, A L'EXCEPTION DES MOYENS 27 D'ETABLISSEMENT DU CHAMP MAGNETIQUE ET DES MOYENS D'ETABLISSEMENT DU CHAMP ELECTRIQUE, SONT USUELS.PROCESS FOR CONTROL OF A GAS LASER PROVIDING AN INCREASED OUTPUT POWER COMPARED TO USUAL LASERS OF THE SAME DIMENSION, AND LASER MODIFIED IN ACCORDANCE WITH THIS PROCEDURE. AN AXIAL MAGNETIC FIELD AND AN ELECTRICAL FIELD PARALLEL OR PERPENDICULAR TO THE MAGNETIC FIELD ARE ESTABLISHED, THE INTERACTION OF THESE FIELDS GENERATING AN INCREASED CONVEXION INSTABILITY OF THE GAS DISCHARGE, WHICH HAS THE EFFECT OF INCREASING THE TRANSFER OF HEAT TO THE WALLS . THE LASER DISCHARGE IS AXIAL AND PARALLEL TO THE MAGNETIC FIELD. THE COMPONENTS OF THE LASER, WITH THE EXCEPTION OF THE MEANS 27 FOR ESTABLISHING THE MAGNETIC FIELD AND THE MEANS FOR ESTABLISHING THE ELECTRIC FIELD, ARE USUAL.

Description

2615331 1 La présente invention concerne un type per- fectionné de laser àThe present invention relates to an improved type of laser

décharge de gaz. Elle vise en outre un procédé très efficace de refroidissement du plasma, qui permet d'obtenir une puissance de sortie sensible- 5 ment accrue par rapport aux lasers usuels de même dimen- sion, et des moyens pour effectuer un tel refroidisse- ment. Le procédé de refroidissement est basé sur l'uti- lisation d'un champ électrique orthogonal ou parallèle à un champ magnétique axial qui est de préférence sensi- 10 blement homogène, les paramètres de ces champs étant choisis de manière à établir une circulation de plasma apte à engendrer le transfert de chaleur requis avec les parois et l'évacuation de chaleur de la région cri- tique du système à effet laser. 15 L'un des modes spécifiques de mise en oeuvre de l'invention se rapporte à un laser coaxial à décharge de gaz, fermé aux deux extrémités par des miroirs, des moyens étant prévus pour superposer un champ magnétique axial d'intensité réglable et un champ électrique radial 20 perpendiculaire au champ magnétique sensiblement homo- gène, ou bien un champ magnétique axial et également un champ électrique axial, le laser fonctionnant dans des conditions d'écoulement gazeux prédéterminées, appro- priées à un refroidissement efficace de la région criti- 25 que d'amplification du laser, ce qui permet d'obtenir une puissance de sortie fortement augmentée. On connait diverses publications par V.A. Seguin et al, du Département des Etudes Electriques de l'Université d'Alberta, Edmonton, Alberta, Canada (voir Applied 30 Optics, Vol. 25, n 21, pages 3825-3829, 1er Novembre 1986 et références) décrivant une configuration semblable à celle de l'invention. On utilise dans ce cas un champ magnétique non homogène pouréviter des effets d'extrémité, produits par l'anode elle-même (anode/solénoide), la ca- 35 thode étant une électrode à bouton,creuse et à éléments 26 1 5 3 3 1 2 multiples. L'anode et la cathode sont toutes deux refroi- dies par un fluide diélectrique. La décharge de gaz est non auto-entretenue, magnétiquement stabilisée, photodéclenchée, renforcée par impulsions et électriauement 5 excitée (MAGPIE), et le mélange gazeux de C2 circule à travers la région d'amplification ou de gain, en cycle fermé, à l'aide de ventilateurs .à flux axial. Le champ magnétique est de 83 gauss environ et sa seule fonction est de stabiliser la décharge de gaz électrique et d'aug- 10 menter la charge de puissance du dispositif. Le champ magnétique est un champ faible et non homogène. L'invention a pour objet des perfectionnements des lasers à décharge de gaz, permettant d'obtenir une puissance de sortie sensiblement accrue par rapport aux 15 lasers usuels de la même dimension. L'invention a également pour objet un procédé d'utilisation d'un tel système laser qui élimine efficacement la chaleur de la région critique, permettant d'obtenir une plus grande puissance de sortie et d'utiliser complètement la région située en- 20 tre les électrodes pour l'effet laser. Des charges élevées peuvent être induites dans la région de gain, sans forma- tion d'arc. Un meilleur pompage moléculaire se produit du fait du plus grand trajet des électrons. L'invention a encore pour objet des lasers à 25 décharge de gaz comportant des moyens d'établissement d'un type prédéterminé de circulation de gaz engendrant une beaucoup plus grande évacuation de chaleur, ce qui procure de meilleures performances du laser et une plus grande puissance de sortie pour une dimension donnée de 30 laser. Avec des lasers coaxiaux à décharge de gaz, fermés à leurs extrémités par des miroirs appropriés, on prévoit des moyens d'établissement d'un champ magnétique axial sensiblement homogène et des moyens pour faire varier l'intensité de ce champ, et on prévoit des moyens d'é- 35 tablissement d'un champ électrique radial ou orthogonal, 2615331 3 ce champ électrique-étant capable d'ioniser le milieu gazeux du laser et de provoquer une inversion de popiula- tion dans la région de gain, ledit mélange gazeux (plas- ma} étant refroidi par convexion forcée engendrée par 5 l'interaction du plasma faiblement ionisé avec les champs magnétique et électrique'. Lorsqu'on augmente l'intensité du champ magnétique au-delà d'une certaine valeur criti- que, Bcrit, il en résulte une augmentation très rapide de la puissance de sortie. 10 L'augmentation de la puissance de sortie peut être de l'ordre de 5 fois et même dans certains cas de 10 fois ou davantage, par rapport à des lasers similaires ne comportant pas les moyens de refroidissement spécifi- ques de la présente invention. 15 Les lasers conformes à la présente invention peuvent fonctionnner dans une plage de pression de 3 torr environ à 200 torr environ ou davantage ; les champs magné- tiques appliqués varient entre la limite inférieure Bcrit et plus de 10000 gauss ; et la tension électrique appiquée 20 varie entre 100 V environ et 1000 V environ ou davantage. Par exemple, un laser à CO2 fonctionnant à une gas discharge. It also aims at a very efficient method of cooling the plasma, which makes it possible to obtain a substantially increased power output compared to conventional lasers of the same size, and means for effecting such cooling. The cooling method is based on the use of an orthogonal electric field or parallel to an axial magnetic field which is preferably substantially homogeneous, the parameters of these fields being chosen so as to establish a plasma circulation. capable of generating the required heat transfer with the walls and the heat removal from the critical region of the laser system. One of the specific embodiments of the invention relates to a coaxial laser gas discharge, closed at both ends by mirrors, means being provided for superimposing an axial magnetic field of adjustable intensity and a radial electric field perpendicular to the substantially homogeneous magnetic field, or an axial magnetic field and also an axial electric field, the laser operating under predetermined gas flow conditions, suitable for efficient cooling of the critical region. 25 amplification of the laser, which allows to obtain a greatly increased power output. Various publications are known by VA Seguin et al, Department of Electrical Studies, University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada (see Applied 30 Optics, Vol 25, No. 21, pages 3825-3829, November 1, 1986, and references) describing a configuration similar to that of the invention. In this case, a non-homogeneous magnetic field is used to avoid end effects, produced by the anode itself (anode / solenoid), the method being a button, hollow and electrode electrode. 3 1 2 multiples. Both the anode and the cathode are cooled by a dielectric fluid. The gas discharge is non-self-sustaining, magnetically stabilized, photodecleared, pulsed and electrically energized (MAGPIE), and the gaseous mixture of C2 flows through the amplification or gain region, in a closed cycle, at the same time. using axial flow fans. The magnetic field is about 83 Gauss and its sole function is to stabilize the discharge of electric gas and to increase the power load of the device. The magnetic field is a weak and inhomogeneous field. The subject of the invention is improvements in gas-discharge lasers, making it possible to obtain a substantially increased power output compared with conventional lasers of the same size. The invention also relates to a method of using such a laser system which effectively eliminates the heat of the critical region, making it possible to obtain a greater output power and to completely use the inner region. the electrodes for the laser effect. High charges can be induced in the gain region without arc formation. Better molecular pumping occurs because of the greater electron path. Yet another object of the invention is gas discharge lasers having means for establishing a predetermined type of gas flow generating much greater heat dissipation, which provides improved laser performance and greater efficiency. output power for a given laser size. With coaxial gas-discharge lasers, closed at their ends by appropriate mirrors, means for establishing a substantially homogeneous axial magnetic field and means for varying the intensity of this field are provided, and provision is made for means for establishing a radial or orthogonal electric field, wherein said electric field is capable of ionizing the gaseous medium of the laser and causing a popula- tion inversion in the gain region, said gaseous mixture (plasma) being cooled by forced convection generated by the interaction of the weakly ionized plasma with the magnetic and electric fields 4. When the magnetic field strength is increased beyond a certain critical value, This results in a very rapid increase of the output power, the increase in output power can be of the order of 5 times and even in some cases 10 times or more, compared with similar lasers lacking the specific cooling means of the present invention. The lasers according to the present invention can operate in a pressure range of about 3 torr to about 200 torr or more; the magnetic fields applied vary between the lower limit Bcrit and more than 10000 gauss; and the electrical voltage applied varies from about 100 V to about 1000 V or more. For example, a CO2 laser operating at a

pression de 20 torr peut travailler à une tension appli- quée de 600 V entre l'anode et la cathode (distantes de 20 mm), avec un champ magnétique axial de 300 gauss en- 25 viron et jusqu'à 500 gauss environ. Bien qu'elle soit applicable à divers types et diverses configurations de lasers, l'invention est illus- tré ci après en détail avec référence à deux dispositifs particuliers qui doivent bien entendu ne pas être considé- 30 rés comme limitatifs. Les lasers à décharge de gaz sui- vant l'invention, qui ont une puissance ae sortie sensible- ment accrue par rapport aux lasers usuels de même dimen- sion, comprennent essentiellement un tube de décharge ap- proprié, un résonateur optique, une cathode et une anode 35 prévues pour établir entre elles un champ électrique ,2615331 4 d'orientation et d'intensité prédéterminées, et un aimant prévu pour établir un champ magnétique ayant des lignes de force sensiblement perpendiculaires ou parallèles à celles du champ électrique, le champ magnétique étant un 5 champ axial. Avantageusement, des moyens sont prévus pour établir un écoulement continu de gaz ou pour renouveler le milieu gazeux. Suivant l'un des modes de réalisation, on utilise des électrodes tubulaires concentriques, l'une 10 étant une anode et l'autre une cathode, qui définissent également le tube de décharge. Celui-ci peut contenir un gaz ou un mélange gazeux de pression prédéterminée, géné- ralement faible. On peut prévoir des moyens pour faire cir- culer ce gaz ou ce mélange gazeux dans le tube de décharge. 15 Le système peut également être isolé. Des moyens sont prévus pour établir un champ électrique (E) entre l'anode et la cathode, par application d'une tension électri- que aux deux électrodes, les tensions étant généralement dans la plage de 100 V environ à 1000 V environ. Ce champ 20 électrique radial ou axial provoque l'ionisation du gaz ou des gaz dans le tube de décharge et une inversion de population. Afin d'éviter un "effet debord", on utilise avantageusement des tubes dont les extrémités sont éva- sées. 25 On prévoit des moyens de refroidissement usuels pour refroidir les électrodes,par exemple une circulation de fluide dans les électrodes et/ou l'utilisation de tu- yaux d'échange de chaleur pour évacuer la chaleur. Confor- mément à l'invention, on obtient un effet de refroidisse- 30 ment sensiblement plus grand par établissement d'une con- vexion forcée du mélange gazeux quiest due à l'interac- tion du champ électrique et du champ magnétique sur les entités ionisées et à l'effet "Lehnert-Hoh" pour les plasmas faiblement ionisés, également appelé "instabilité 35 convective de courant du plasma faiblement ionisé". Lors- 2615331 5 qu'on utilise un tube de décharge tubulaire allongé, la convexion forcée débute à certaines valeurs du champ ma- gnétique et cette convexion forcée entraîne une évacua- tion sensiblement augmentée de chaleur du plasma et une 5 puissance sensiblement augmentée de sortie d'un tel système laser. L'invention a encore pour objet un procédé de fonctionnement d'un laser, permettant d'obtenir une plus grande puissance de sortie, qui consiste à former un 10 plasma faiblement ionisé dans une configuration de laser à tube de décharge à basse pression, au moyen d'un champ électrique radial ou axial, et à superposer audit système un champ magnétique ayant une induction magnétique sensi- blement uniforme (B) qui est sensiblement parallèle à l'a- 15 xe du tube, les champs électrique et magnétique étant rè- glés de manière à établir une circulation forcée du mé- lange gazeux (plasma), ce qui a pour effet d'améliorer le refroidissement et d'augmenter la capacité de puissance du laser. 20 L'invention est applicable à une grande variété de lasers, tels que des systèmes à base de CO2, CO, NO2, eximères, etc. Le champ magnétique peut être établi par un aimant permanent ou engendré par un solénoide. Le champ électrique est engendré par application d'une ten25 sion continue à l'anode et à la cathode. Au lieu d'une tension continue constante et d'un champ magnétique cons- tant, on peut utiliser une combinaison d'un courant al- ternatif ou pulsé avec un champ magnétique en phase cor- respondant. Il est clair que , dans le cas de champs 30 électrique et magnétique parallèles E et B, les forces de Lorenz s'élèvent au-dessus de Bcrit et leur chemin de l'anode à la cathode est modifié en une orbite hélicol- dale autour de l'axe du tube. Puisque ce chemin est de plus grande longueur, il en résulte des collisions multi- 35 ples entre électrons et molécules, ce qui accroSt l'in- 2615331 6 version de population. L'application d'un fort champ ma- gnétique augmente la vitesse azimutale et engendre des écoulements secondaires à "Cellules de Taylor" ou des chemins hélicoïdaux, la transition à une telle configu- 5 ration d'écoulement se produisant à une valeur critique de l'induction magnétique pour laquelle la solution de plasma atteint un point de bifurcation. En outre, l'application d'un tel champ magnétique produit une The pressure of 20 torr can be operated at an applied voltage of 600 V between the anode and the cathode (20 mm apart), with an axial magnetic field of about 300 gauss and up to about 500 gauss. Although applicable to various types and configurations of lasers, the invention is hereinafter illustrated in detail with reference to two particular devices which should of course not be construed as limiting. The gas-discharge lasers according to the invention, which have a substantially increased output power compared to conventional lasers of the same size, essentially comprise an appropriate discharge tube, an optical resonator, a cathode and an anode 35 arranged to establish between them an electric field, 2615331 4 of predetermined orientation and intensity, and a magnet provided for establishing a magnetic field having lines of force substantially perpendicular or parallel to those of the electric field, the field magnetic being an axial field. Advantageously, means are provided to establish a continuous flow of gas or to renew the gaseous medium. In one embodiment, concentric tubular electrodes are used, one being an anode and the other a cathode, which also define the discharge tube. This may contain a gas or a gaseous mixture of predetermined pressure, generally low. Means may be provided for circulating this gas or gaseous mixture in the discharge tube. The system can also be isolated. Means are provided for establishing an electric field (E) between the anode and the cathode, by applying an electrical voltage to both electrodes, the voltages generally being in the range of about 100 V to about 1000 V. This radial or axial electric field causes ionization of gas or gases in the discharge tube and population inversion. In order to avoid an "overflow effect", tubes are advantageously used, the ends of which are evacuated. Conventional cooling means are provided for cooling the electrodes, for example a flow of fluid in the electrodes and / or the use of heat exchange heads for the removal of heat. In accordance with the invention, a substantially greater cooling effect is obtained by establishing a forced connection of the gas mixture which is due to the interaction of the electric field and the magnetic field on the entities. ionized and the "Lehnert-Hoh" effect for weakly ionized plasmas, also called "convective current instability of weakly ionized plasma". When an elongated tubular discharge tube is used, the forced convection starts at certain values of the magnetic field and this forced convection causes a substantially increased heat dissipation of the plasma and a substantially increased output power. of such a laser system. Still another object of the invention is a method of operating a laser, which provides a higher output power, which consists of forming a weakly ionized plasma in a low pressure discharge tube laser configuration at the same time. by means of a radial or axial electric field, and superimposing on said system a magnetic field having a substantially uniform magnetic induction (B) which is substantially parallel to the aperture of the tube, the electric and magnetic fields being In order to establish a forced circulation of the gaseous mixture (plasma), this has the effect of improving the cooling and increasing the power capacity of the laser. The invention is applicable to a wide variety of lasers, such as CO 2, CO 2, NO 2, eximer, etc. systems. The magnetic field can be established by a permanent magnet or generated by a solenoid. The electric field is generated by applying a continuous voltage to the anode and the cathode. Instead of a constant DC voltage and a constant magnetic field, a combination of an alternating or pulsed current with a corresponding phase magnetic field can be used. It is clear that in the case of parallel electric and magnetic fields E and B, the Lorenz forces rise above Bcrit and their path from the anode to the cathode is changed into a helical orbit around of the axis of the tube. Since this path is of greater length, this results in multiple collisions between electrons and molecules, which increases the population number. The application of a strong magnetic field increases the azimuthal velocity and gives rise to "Taylor Cells" secondary flows or helical paths, the transition to such a flow pattern occurring at a critical value of the magnetic induction for which the plasma solution reaches a bifurcation point. In addition, the application of such a magnetic field produces a

"pression apparente" P qui optimise le facteur E/P pour 10 le pompage optique de la molécule de gaz. Les autres composants du système laser sont usuels. Le résonateur optique peut comprendre deux mi- roirs perpendiculaires à l'axe du tube, l'un étant réflé- chissant à 100% et l'autre étant partiellement réfléchis- 15 sant. Les lasers suivant l'invention peuvent fonctionner avec des cavités externes ou internes. Lorsqu'on utilise un résonateur externe, le tube est fermé à ses deux extrémités et on prévoit des fenêtres appropriées, telles que des fenêtres de ZnSe, qui peuvent être centrées ou 20 décentrées et qui peuvent également être positionnées à un angle de Brewster. La dimension des fenêtres peut être modifiée comme désiré et elles peuvent être d'une dimen- sion couvrant seulement une partie de la région active, jusqu'à une dimension correspondant à la dimension totale 25 de cette région, ces miroirs étant placés à l'extérieur du tube de sorte que leur axe optique traverse la région de gain maximal. Lorsqu'on utilise un résonateur interne, les miroirs prennent la place des fenêtres des pièces de fermeture latérales. 30 On peut utiliser diverses configurations de systèmes laser et on décrit ci-après une configuration spécifique,avec référence à certaines des figures. La caractéristique principale de l'invention est le refroidissement très efficace du gaz ou du mé- 35 lange de gaz dans le tube de décharge, qui permet d'em- 2615331 7 ployer une puissance d'entrée beaucoup plus grande pour une dimension donnée de ce tube et qui engendre une très forte augmentation de la puissance de sortie pour un laser de dimension donnée. 5 Les systèmes laser suivant l'invention ont pour avantage d'être compacts, de construction simple et de comporter des composants peu coûteux, par exemple une alimentation économique du fait de l'emploi de basses tensions. 10 L'induction magnétique homogène permet d'utili- ser complètement tout l'espace entre les électrodes pour l'effet laser et on peut induire des densités de puissan- ce élevées dans la région de gain sans engendrer d'arc. Il existe généralement une valeur critique 15 de B, appelée "Bcrit", à laquelle l'écoulement secondaire commence, et une augmentation de l'induction magnétique au-delà de cette valeur permet d'obtenir une forte augmen- tation de la puissance de sortie. D'autres objets et avantages de l'invention 20 apparaîtront aux hommes de l'art à la lumière de la description détaillée ci-après de ses modes de réalisa- tion, non limitatifs, représentés sur les dessins anne- xés dans lesquels : les figures la, lb et lc illustrent la confi- 25 guration d'écoulement d'un plasma faiblement ionisé, sous l'influence de champs électrique et magnétique d'intensité variable ; la figure 2 est une coupe longitudinale à tra- vers un système laser tubulaire suivant l'invention ; 30 la figure 3 est une vue de face d'un miroir utilisé dans un système conforme à l'invention ; la figure 4 illustre un autre système laser conforme à l'invention, en coupe longitudinale partielle ; la figure 5 est une coupe suivant la ligne A-A 35 de la figure 4 ; 2615331 8 la figure 6 illustre une configuration de mi- roirsd'un système laser suivant l'invention ; la figure 7 illustre un autre laser suivant l'invention ; et 5 les figures 8a à 8f sont des coupes longitudi- nales de diverses autres configurations conformes à la présente invention. Comme représenté sur les figures la, lb et lc respectivement, un tube de décharge à basse pression de 10 gaz d'un système laser suivant l'invention comprend deux électrodes concentriques 11 et 12, à savoir une ano- de 11 et une cathode 12, ces électrodes étant raccordées à une source de courant continu appropriée fournissant une tension del'ordre de 100 V environ à 1000 V environ 15 ou davantage. Les lignes du champ électrique radial ré- sultant sont indiquées par E et engendrent un champ r électrique radial d'intensité désirée dans la colonne positive de la décharge. On utilise un solénoïde ou un aimant permanent, non représenté, pour produire un 20 champ magnétique, avantageusement d'intensité réglable, l'induction magnétique étant sensiblement parallèle à l'axe du tube et étant désignée par B. Les substances gazeuses sont ionisées et la combinaison du champ électrique et du champ magnétique 25 engendre d'abord (pour une petite force magnétique) une trajectoire illustrée sur la figure la. Une augmentation du champ magnétique provoque un changement à la configu- ration d'écoulement illustrée schématiquement sur la figure lb, en "cellules de Taylor". Une nouvelle augmen- 30 tation du champ magnétique provoque, à une certaine va- leur, la création d'une configuration d'écoulement du type à cellules de Taylor, illustrée sur la figure lc ; cet écoulement a pour effet d'augmenter beaucoup le transfert de chaleur du plasma vers les éléments d'éva- 35 cuation de chaleur (cellules extérieures) du système. 2615331 9 On se reporte à la figure 2 qui illustre les éléments principaux d'un système laser suivant l'inven- "apparent pressure" P which optimizes the E / P factor for optical pumping of the gas molecule. Other components of the laser system are common. The optical resonator may comprise two micrometers perpendicular to the axis of the tube, one being 100% reflective and the other being partially reflective. The lasers according to the invention can operate with external or internal cavities. When an external resonator is used, the tube is closed at both ends and appropriate windows are provided, such as ZnSe windows, which may be centered or off-center and which may also be positioned at a Brewster angle. The size of the windows may be varied as desired and may be of a size covering only a portion of the active region, up to a dimension corresponding to the total dimension of that region, these mirrors being placed at the outside of the tube so that their optical axis passes through the region of maximum gain. When using an internal resonator, the mirrors take the place of the windows of the lateral closing parts. Various configurations of laser systems can be used and a specific configuration is described below with reference to some of the figures. The main feature of the invention is the highly efficient cooling of the gas or gas mixture in the discharge tube, which makes it possible to employ a much greater input power for a given dimension of this tube and which generates a very strong increase in the output power for a laser of given dimension. The laser systems according to the invention have the advantage of being compact, of simple construction and of having inexpensive components, for example an economical power supply because of the use of low voltages. The homogeneous magnetic induction makes it possible to completely utilize the entire space between the electrodes for the laser effect and high power densities in the gain region can be induced without generating an arc. There is generally a critical value of B, called "Bcrit", at which the secondary flow begins, and an increase in magnetic induction above this value results in a large increase in the power of exit. Other objects and advantages of the invention will become apparent to those skilled in the art in light of the following detailed description of its non-limiting embodiments, shown in the accompanying drawings, in which: FIGS. FIGS. 1a, 1b and 1c illustrate the flow configuration of a weakly ionized plasma under the influence of electric and magnetic fields of varying intensity; Figure 2 is a longitudinal section through a tubular laser system according to the invention; Figure 3 is a front view of a mirror used in a system according to the invention; FIG. 4 illustrates another laser system according to the invention, in partial longitudinal section; Figure 5 is a section along the line A-A of Figure 4; FIG. 6 illustrates a configuration of mirrors of a laser system according to the invention; Figure 7 illustrates another laser according to the invention; and Figures 8a to 8f are longitudinal sections of various other configurations in accordance with the present invention. As shown in FIGS. 1a, 1b and 1c, respectively, a low-pressure gas discharge tube of a laser system according to the invention comprises two concentric electrodes 11 and 12, namely an anode 11 and a cathode 12. these electrodes being connected to a suitable DC source providing a voltage in the range of about 100 V to about 1000 V or greater. The lines of the resulting radial electric field are indicated by E and generate a radial electric field of desired intensity in the positive column of the discharge. A solenoid or permanent magnet, not shown, is used to produce a magnetic field, advantageously of adjustable intensity, the magnetic induction being substantially parallel to the axis of the tube and designated by B. The gaseous substances are ionized and the combination of the electric field and the magnetic field first generates (for a small magnetic force) a trajectory illustrated in FIG. An increase in the magnetic field causes a change in the flow configuration shown schematically in Fig. 1b as "Taylor cells". A further increase in the magnetic field causes, at a certain rate, the creation of a Taylor-cell type flow pattern, illustrated in Figure 1c; this flow has the effect of greatly increasing the heat transfer from the plasma to the heat evacuation elements (outer cells) of the system. Referring to FIG. 2, which illustrates the main elements of a laser system according to the invention, FIG.

tion. Le système laser comprend, en combinaison, un tube à décharge de gaz défini par une anode 21, qui est un 5 élément tubulaire de diamètre intérieur d2, et par une ca- thode concentrique 22 de diamètreextérieur d1, définis- sant un passage 23 de décharge de gaz dans lequel est présent un gaz ou un mélange gazeux sous une pression prédéterminée. L'anode métallique 21 est avantageusement 10 un cylindre en acier inoxydable comportant une collerette 24 à profil de Rogovsky ou similaire pour éviter des ef- fets d'extrémité du plasma faiblement ionisé dans la région de gain 23. Un autre élément tubulaire 25 définit, autour de l'anode 21, une chemise dans laquelle on fait 15 circuler un fluide de refroidissement 26. A la place, on peut prévoir pour ce refroidissement un tube coaxial d'échange de chaleur. L'élément tubulaire 25 est entouré par un aimant 27 qui peut également être refroidi par le fluide de refroidissement 26. Cet aimant 27 peut être un 20 aimant permanent, un aimant de Bitter, un solénoide ou un aiment supra-conducteur. Il est conçu de manière à produire une induction magnétique B sensiblement homogène, parallèle à l'axe de l'électrode 28 du tube de laser à gaz dans la région de gain 23. 25 L'aimant peut être un aimant permanent ou un aimant réglable. Le vecteur d'induction magnétique B doit être au moins d'une intensité prédéterminée, ou supérieure à la valeur critique Bcrit,qui est fonction de la longueur du tube'L, du diamètre effectif du tube 30 de décharge (d2-d1), du courant de décharge ID, de la pression de gaz dans le tube de décharge, et de la vis- cosité du mélange de plasma. Sans être limité par la théorie, l'inventeur pense que l'intensité du champ Bcrit peut être diminuée lorsque le rapport d'aspect augmente. 35 La valeur Bcrit augmente lorsque la pression diminue. 2615331 10 Il est prévu des tubes 29 et 30, de préférence en ma- tière non métallique, qu'on peut utiliser pour faire circuler un gaz ou un mélange gazeux dans le tube de décharge, à un débit donné, afin d'éviter la dissociation 5 des molécules à effet laser. La cathode 22 peut égale- ment être fabriquée en acier inoxydable ou en un autre métal résistant à la corrosion, avec une collerette 31 à profil Rogovsky ou similaire afin d'éviter les effets d'extrémité. La cathode 22 est refroidie par un fluide 10 circulant dans une région centrale 32, ou bien elle peut être un tube d'échange de chaleur à collerettes Rogovsky 31. La cathode 22 peut également être un fil de tungstène qui peut être refroidi par effet Peltier. Des cylindres diélectriques 33 et 34 sont pré- 15 vus aux extrémités de l'anode 21. A la place de ces cy- lindres, on peut prévoir des couches d'émail ayant la même configuration, qui s'étendent de l'extrémité de l'a- node (profil Rogovsky) à l'extrémité du tube. On peut éventuellement appliquer un catalyseur aux cylindres 33 20 et 34 pour diminuer la dissociation des molécules de gaz dans des opérations en position d'isolement. Le système laser représenté sur les figures 4 et 5 comprend, en combinaison, un conduit central de fluide 41 auquel sont fixées deux électrodes 42 et 43 25 servant d'anodes, entourées par une structure tubulaire 44 aux parois intérieures supérieure et inférieure de laquelle sont fixées deux cathodes 45 et 46 respective- ment dont les limites présentent des collerettes 47 et 48 d'un certain type Rogovsky. Les anodes et les catho- 30 des sont fabriquées en un alliage métallique résistant à la corrosion, tel que l'acier inoxydable. A l'intérieur du conduit 41, qui est fabriqué en matière diélectrique, on fait circuler de l'eau ou un autre fluide approprié. Un liquide circule également dans un espace 49. Un ai- 35 mant 50, superposé coaxialement à la structure laser, 2615331 21 engendre un champ magnétique coaxial ayant une intensité de champ B. Il existe deux sections d'amplification ou de gain, 51 et 52,dans lesquelles est contenu un gaz ou un mélange gazeux à une pression prédéterminée. Ce gaz 5 peut être mis en circulation par l'intermédiaire de tu- yaux 53 et 54, ou renouvelé comme nécessaire par ces tu- yaux. On peut prévoir une pluralité de tubes d'échange de chaleur 55, pour l'évacuation de la chaleur. L'aimant 50 peut être un aimant permanent ou un solénoide. On 10 applique une tension continue aux anodes et aux cathodes pour établir un champ électrique entre celles-ci, le champ magnétique étant perpendiculaire au champ électrique. Les forces de Lorentz résultantes engendrent une circula- tion du plasma dans les régions 51 et 52 et la chaleur 15 est évacuée principalement par les tubes d'échange de chaleur 53 et 54. L'intensité du champ magnétique n'est pas déterminante dans cette configuration particulière et même un champ relativement 'faible donne une nette aug- mentation de capacité de puissance. Le résonateur est 20 doublé par deux miroirs plans 55 et 56, ayant un pouvoir réfléchissant de 100%, qui sont de forme rectangulaire et définissent entre eux un angle de 90 . Il est prévu tion. The laser system comprises, in combination, a gas discharge tube defined by an anode 21, which is a tubular member of inner diameter d2, and a concentric method 22 of outer diameter d1, defining a passage 23 of gas discharge in which a gas or gas mixture is present under a predetermined pressure. The metal anode 21 is advantageously a stainless steel cylinder having a Rogovsky-profile flange 24 or the like to avoid end effects of the weakly ionized plasma in the gain region 23. Another tubular element 25 defines, around the anode 21 is a jacket in which a cooling fluid 26 is circulated. Instead, a coaxial heat exchange tube can be provided for this cooling. The tubular member 25 is surrounded by a magnet 27 which may also be cooled by the coolant 26. This magnet 27 may be a permanent magnet, a Bitter magnet, a solenoid or a superconducting magnet. It is designed to produce a substantially homogeneous magnetic induction B parallel to the axis of the electrode 28 of the gas laser tube in the gain region 23. The magnet may be a permanent magnet or an adjustable magnet . The magnetic induction vector B must be at least of a predetermined intensity, or greater than the critical value Bcrit, which is a function of the length of the tube L, the effective diameter of the discharge tube (d2-d1), the discharge current ID, the gas pressure in the discharge tube, and the viscosity of the plasma mixture. Without being limited by theory, the inventor believes that the intensity of the Bcrit field can be decreased as the aspect ratio increases. The Bcrit value increases as the pressure decreases. Tubes 29 and 30, preferably of non-metallic material, are provided which can be used to circulate a gas or gas mixture in the discharge tube at a given flow rate in order to avoid dissociation of the laser effect molecules. The cathode 22 may also be made of stainless steel or other corrosion resistant metal, with a Rogovsky profile flange 31 or the like to avoid end effects. The cathode 22 is cooled by a fluid flowing in a central region 32, or it may be a Rogovsky 31 flanged heat exchange tube. The cathode 22 may also be a tungsten wire which may be cooled by the Peltier effect. . Dielectric cylinders 33 and 34 are provided at the ends of the anode 21. Instead of these cylinders, enamel layers having the same configuration, which extend from the end of the cathode, can be provided. the anode (Rogovsky profile) at the end of the tube. A catalyst can optionally be applied to the cylinders 33 and 34 to decrease the dissociation of the gas molecules in operations in isolation position. The laser system shown in FIGS. 4 and 5 comprises, in combination, a central fluid duct 41 to which are attached two electrodes 42 and 43 serving as anodes, surrounded by a tubular structure 44 with the upper and lower inner walls of which are fixed two cathodes 45 and 46 respectively whose boundaries have flanges 47 and 48 of a certain type Rogovsky. The anodes and cathodes are made of a corrosion resistant metal alloy, such as stainless steel. Inside the conduit 41, which is made of dielectric material, is circulated water or other suitable fluid. A liquid also circulates in a space 49. A magnet 50 superimposed coaxially with the laser structure 2615331 21 generates a coaxial magnetic field having a field strength B. There are two amplification or gain sections, 51 and 52, in which a gas or a gaseous mixture is contained at a predetermined pressure. This gas can be circulated via rings 53 and 54, or renewed as necessary by these rings. A plurality of heat exchange tubes 55 may be provided for the removal of heat. The magnet 50 may be a permanent magnet or a solenoid. DC voltage is applied to the anodes and cathodes to establish an electric field therebetween, the magnetic field being perpendicular to the electric field. The resulting Lorentz forces cause plasma to circulate in regions 51 and 52 and the heat is discharged mainly through heat exchange tubes 53 and 54. Magnetic field strength is not critical in this case. particular configuration and even a relatively weak field gives a marked increase in power capacity. The resonator is doubled by two plane mirrors 55 and 56, having a reflectivity of 100%, which are rectangular in shape and define an angle of 90 between them. It is provided

un miroir métallique 57 à pouvoir réfléchissant total, à courbure cylindrique et de forme rectangulaire. Il est 25 également prévu un miroir de couplage de sortie 58, de pouvoir réfléchissant prédéterminé de façon à optimiser l'émission laser de la région de gain. On peut également utiliser une configuration de résonateur cylindrique ins- table doublé, comme illustré sur la figure 6. D'une ma- 30 nière analogue, on prévoit aux extrémités de la cathode 22 des cylindres diélectriques 35 et 36, respectivement, ou des revêtements correspondants d'émail ou de matière analogue, avec une bonne jonction à la cathode. A l'ex- trémité des anodes/cathodes, on prévoit un miroir de ré- 35 sonateur 37 et un miroir partiellement réfléchissant 38, 2615331 12 la distance S étant choisie de manière à éviter des pro- jections sur lesdits miroirs. On peut choisir diverses configurations pour le résonateur, par exemple comme in- diqué ci-après. 5 a. Le miroir 37 est un miroir à réflexion totale com- portant des revêtements de renforcement de réflexion, le miroir 38 est un miroir à réflexion partielle (toroidal), avec une transmissivité prédéterminée pour optimiser le petit gain de signal dans la ca- 10 vité de résonance. b. On utilise une configuration à passes multiples, comme décrit par J. G.Xin et D.R. Hall, Optics Communi- cations 58, 420-6 (1986). c. Le miroir de résonateur instable 37 est un miroir mé- 15 tallique toroidal à réflexion totale et le miroir 38 est un miroir du type illustré sur la figure 3. d. On utilise un résonateur instable comme décrit dans Appl. Phys. Lett. 52 (7) 15.2.88 par Yasni et al. Comme représenté sur la figure 3, le miroir 20 38 est un miroir de couplage de sortie constitué de deux parties, à savoir une fenêtre toroidale comportant des re- vêtements anti-réfléchissants,qui définit les sections 39, et un secteur 40 en forme d'anneau réfléchissant (mi- roir annulaire) qui donne une réflexion totale et qui est 25 dans la région de gain de signal faible maximal. Dans toutes les configurations décrites ci- dessus, il est prévu une étanchéité au vide. On peut faire circuler le milieu gazeux de façon continue ou le renouve- ler comme nécessaire par l'intermédiaire des canalisations 30 représentées sur la figure 2. Le laser peut également fonctionner en courant alternatif, avec permutation des fonctions des électrodes et avec utilisation d'une variation du champ magnétique à la même fréquence. Lorsque le champ magnétique augmente, 35 à une certaine intensité de champ Bcrit, il se produit une 2615331 13 augmentation très rapide et importante de la puissance de sortie, qui est sensiblement proportionnelle à une nouvelle augmentation du champ magnétique B. Cette augmen- tation de l'intensité du champ magnétique implique une 5 augmentation de la tension de décharge,ce qui permet d'aug- menter la puissance d'entrée pour un courant de décharge fixe. La plus grande puissance d'entrée engendre une aug- mentation très importante de la puissance de sortie, et on peut facilement atteindre une augmentation de 5 fois 10 ou davantage par rapport à un laser similaire ne compor- tant pas le système de refroidissement suivant la présen- te invention. Dans certains cas, on atteint une augmenta- tion de 10 fois ou même davantage. A titre d'exemple, on a construit un laser con- 15 forme à la figure 2, ayant un diamètre intérieur dl de 3 mm, un diamètre extérieur d2 de 31 mm et une longueur de région de gain de 310 mm environ. Ce laser était un laser à CO2, à une pression de 20 torr, et il fonction- nait à une tension appliquée de 600 V environ et avec 20 un champ magnétique supérieur à 1000 gauss et un courant de décharge supérieur à 3 ampères. La puissance de sortie dépend du type de dis- positif optique de résonance utilisé et, avec des ré- sonateurs usuels bien conçus, on peut atteindre une puissance de sortie bien supérieure à 20% de la puissance d'entrée. Lorsqu'on utilise une entrée aussi élevée, avec un laser refroidi par diffusion et isolé, ayant une ré- gion de gain de dimensions similaires, il se forme géné- 30 ralement un arc. Jusqu'à présent, on avait essayé d'effectuer un refroidissement efficace au moyen de ventilateurs et d'échangeurs de chaleur compliqués et coûteux, mais sans obtenir les résultats avantageux des lasers suivant la 35 présente invention. Les lasers à CO2 à écoulement lent 2615331 14 ne peuvent pas supporter de telles puissances d'entrée avec un volume de gain tel qu'indiqué dans l'exemple ci- dessus. Diverses autres configurations et conditions 5 de fonctionnement ont été essayées et il est clair que le système de refroidissement suivant la présente inven- tion, basée sur l'interaction d'un champ électrique et d'un champ magnétique au-dessus d'une certaine valeur, sur un milieu à effet laser approprié, engendre une très 10 nette augmentation de la puissance de sortie pour une di- mension de laser donnée. La figure 8 illustre d'autres modes de réalisa- tion et d'autres configurations géométriques conformes a metal mirror 57 with total reflecting power, cylindrical curvature and rectangular shape. There is also provided an output coupling mirror 58 of predetermined reflectivity to optimize the laser emission of the gain region. It is also possible to use a doubled insulating cylindrical resonator configuration, as illustrated in FIG. 6. Similarly, the ends of the cathode 22 are provided with dielectric cylinders 35 and 36, respectively, or coatings. corresponding enamel or similar material, with a good junction at the cathode. At the end of the anodes / cathodes, there is provided a mirror mirror 37 and a partially reflecting mirror 38, the distance S being chosen so as to avoid projections on said mirrors. Various configurations may be chosen for the resonator, for example as indicated below. 5 a. The mirror 37 is a total reflection mirror with reflective reinforcement coatings, the mirror 38 is a partial reflection (toroidal) mirror, with a predetermined transmissivity to optimize the small signal gain in the case of reflection. resonance. b. A multiple pass configuration is used, as described by J.G.Xin. And D. R. Hall, Optics Communications 58, 420-6 (1986). c. The unstable resonator mirror 37 is a total reflection toroidal metal mirror and mirror 38 is a mirror of the type shown in FIG. 3. d. An unstable resonator is used as described in Appl. Phys. Lett. 52 (7) 15.2.88 by Yasni et al. As shown in FIG. 3, the mirror 38 is an exit coupling mirror consisting of two parts, namely a toroidal window with anti-reflective coatings, which defines the sections 39, and a sector 40 in the form of Reflective ring (annular mirror) which gives a total reflection and which is in the region of maximum low signal gain. In all the configurations described above, a vacuum seal is provided. The gaseous medium can be continuously circulated or re-opened as necessary via the lines 30 shown in FIG. 2. The laser can also be operated with alternating current, with permutation of the functions of the electrodes and with use of a variation of the magnetic field at the same frequency. As the magnetic field increases, at a certain field intensity Bcrit, there is a very rapid and significant increase in the output power, which is substantially proportional to a further increase in the magnetic field B. This increase in the intensity of the magnetic field involves an increase in the discharge voltage, which makes it possible to increase the input power for a fixed discharge current. The higher input power results in a very large increase in output power, and it is easy to achieve an increase of 5 or more times compared to a similar laser without the cooling system following the present invention. In some cases, an increase of 10 times or even more is achieved. By way of example, a laser according to FIG. 2 has been constructed having an inside diameter dl of 3 mm, an outside diameter d2 of 31 mm and a gain region length of about 310 mm. This laser was a CO2 laser at a pressure of 20 Torr and operated at an applied voltage of about 600V and with a magnetic field greater than 1000 Gauss and a discharge current of greater than 3A. The output power depends on the type of resonance optical device used and, with well-designed conventional resonators, output power well above 20% of the input power can be achieved. When such high input is used, with an isolated diffusion-cooled laser, having a gain region of similar dimensions, an arc is generally formed. Heretofore, attempts have been made to effect efficient cooling by means of complicated and expensive fans and heat exchangers, but without obtaining the advantageous results of the lasers according to the present invention. The slow-flow CO2 lasers 2615331 14 can not support such input powers with a gain volume as indicated in the above example. Various other configurations and operating conditions have been tried and it is clear that the cooling system according to the present invention, based on the interaction of an electric field and a magnetic field above a certain This value, on a suitable laser medium, results in a very marked increase in output power for a given laser size. Figure 8 illustrates alternative embodiments and other geometric configurations in accordance with

à la présente invention. to the present invention.

15 La figure 8a est une coupe longitudinale d'un solénoide ou d'un aimant permanent à alésage cylindrique dans lequel on peut insérer les différentes configura- tions de laser ; la figure 8b est une coupe longitudinale d'une 20 configuration de laser semblable à celle qui est repré- sentée sur la figure 2 ; la figure 8c est une coupe longitudinale d'une configuration géométrique différente pour un laser sem- blable à celui qui est représenté sur la figure 4 ; 25 la figure 8d est une coupe suivant la ligne indiquée sur la figure 8c ; la figure 8e est une coupe longitudinale d'une cathode creuse semblable à celle qui est utilisée dans le laser représenté sur la figure 7 ; et 30 la figure 8f est une coupe longitudinale d'un ensemble d'anode-cathode du type appelé dans la littéra- ture type à décharge-P.I.G., utilisable dans les lasers suivant l'invention. Bien que la demanderesse ne désire pas être limitée par une théorie scientifique particulière, on pense 2615331 15 que le principe physique de la présente invention est l'instabilité des courants de convexion d'une décharge de gaz,comme décrit par L. Lehnert; Compte Rendu P/146 de la Deuxième Conférence Internationale U.S. sur les 5 Utilisations Pacifiques de l'Energie Atomique, Genève 1958,et qui est également décrite comme "instabilité de plasma" par V.V. Kadomtsev et A.V. Nedospasov dans J. Nuclear Energy C 1, 230 (1960). L'instabilité du plasma apparaît à une intensité critique du champ magné- 10 tique, Bcr, et, pour un champ magnétique B<Bcr, les équa- tions de diffusion ambipolaire sont valables. Dans le régime de diffusion ambipolaire, le champ électrique diminue lorsque le champ magnétique augmente jusqu'à une valeur B > Bcr o se produit une anomalie de diffusion dé- 15 crite par D. Bohm (A Guthrie & R. Wakerling : The charac- teristics of Electric Discharges in Magnetic Fields, Mc Graw Hill, N.Y. 1949), et le champ électrique augmente à nouveau avec B > Bcr. On peut appliquer le principe ci- cr' dessus à un laser du type illustré schématiquement sur la 20 figure 7 qui représente un laser à passage cylindrique refroidi extérieurement par de l'eau,qui est placé dans un champ magnétique axial homogène. L'anode et la cathode sont des électrodes creuses à l'extrémité du passage cylin- drique,dans lequel un simple résonateur stable ou instable 25 à éléments sphériques est également placé et réglé. Pour B > Bcr, la configuration d'écoulement du plasma faible- ment ionisé est un écoulement hélicoidal, le champ élec-trique étant parallèle à B pour B < Bcr, et devenant à composante radiale et azimutale pour B > B cr 30 Le laser peut être un laser isolé ou un laser à cycle ouvert. Les éléments principaux d'un tel laser sont illustrés sur la figure 7. Sur cette figure, le repère 71 désigne un aimant permanent ou un solénoïde qui entoure le laser comprenant 35 un cylindre 72 en matière thermiquement isolante qui défi- 2615331 16 nit la partie extérieure du laser et de la chemise de fluide de refroidissement. Des orifices 73 et 74 sont prévus pour la sortie et l'entrée du fluide de refroi- dissement. La cathode 77 est une cathode creuse, de 5 même que l'anode 76,et elles sont toutes deux connectées par l'intermédiaire d'un cylindre 75 en matière élec- triquement isolante et de bonne conductivité thermique. Il est prévu un résonateur'du type à branchement positif instable, et des miroirs sphériques 78 et 82 respective- 10 ment sont prévus aux extrémités de la structure tubulaire. Le repère 79 désigne une fenêtre plane à revêtement AR/AR. Le milieu gazeux peut être introduit à l'intérieur du laser dans la région du plasma 85, par une tubulure d'entrée 80, et il peut être extrait par une tubulure 15 de sortie 81. Le résonateur instable décrit est soutenu par les deux supports de miroir 83 et 84. Il est entendu que la description ci-dessus est seulement illustrative et qu'on peut y apporter des modifications dans la nature et l'agencement des compo- 20 sants, sans sortir du cadre de l'invention. 2615331 17Figure 8a is a longitudinal section of a cylindrical bore solenoid or permanent magnet in which the different laser configurations can be inserted; Fig. 8b is a longitudinal section of a laser pattern similar to that shown in Fig. 2; Figure 8c is a longitudinal section of a different geometrical configuration for a laser similar to that shown in Figure 4; Figure 8d is a section along the line shown in Figure 8c; Figure 8e is a longitudinal section of a hollow cathode similar to that used in the laser shown in Figure 7; and FIG. 8f is a longitudinal section of an anode-cathode assembly of the type referred to in the P.I.G. discharge type literature, usable in lasers according to the invention. Although the Applicant does not wish to be limited by any particular scientific theory, it is believed that the physical principle of the present invention is the instability of the convection currents of a gas discharge, as described by L. Lehnert; Report P / 146 of the Second US International Conference on the 5 Peaceful Uses of Atomic Energy, Geneva 1958, which is also described as "plasma instability" by VV Kadomtsev and AV Nedospasov in J. Nuclear Energy C 1, 230 (1960). The instability of the plasma appears at a critical magnetic field intensity, Bcr, and for a magnetic field B <Bcr, the ambipolar scattering equations are valid. In the ambipolar diffusion regime, the electric field decreases as the magnetic field increases to a B> Bcr value where a diffusion anomaly described by D. Bohm (A Guthrie & R. Wakerling: The charac- the electric field in Magnetic Fields, McGraw Hill, NY 1949), and the electric field increases again with B> Bcr. The above principle can be applied to a laser of the type illustrated schematically in FIG. 7 which shows a water-cooled cylindrical passage laser which is placed in a homogeneous axial magnetic field. The anode and the cathode are hollow electrodes at the end of the cylindrical passage, in which a simple stable or unstable resonator 25 with spherical elements is also placed and adjusted. For B> Bcr, the flow pattern of the weakly ionized plasma is a helicoidal flow, the electric field being parallel to B for B <Bcr, and becoming radial and azimuthal for B> B cr 30 The laser can be an isolated laser or an open cycle laser. The main elements of such a laser are illustrated in FIG. 7. In this figure, the marker 71 designates a permanent magnet or a solenoid surrounding the laser comprising a cylinder 72 made of thermally insulating material which defines the portion of the laser. outside of the laser and the coolant jacket. Orifices 73 and 74 are provided for the outlet and inlet of the coolant. The cathode 77 is a hollow cathode, as is the anode 76, and they are both connected via a cylinder 75 of electrically insulating material and good thermal conductivity. An unstable positive branch type resonator is provided, and spherical mirrors 78 and 82 respectively are provided at the ends of the tubular structure. Mark 79 denotes a flat window with AR / AR coating. The gaseous medium can be introduced into the plasma region of the plasma 85 via an inlet pipe 80 and can be withdrawn through an outlet pipe 81. The unstable resonator described is supported by the two supports. It is understood that the foregoing description is illustrative only and that modifications may be made in the nature and arrangement of the components without departing from the scope of the invention. 2615331 17

Claims

Revendicationsclaims

1. Procédé pour le fonctionnement d'un laser du type à décharge de gaz, comprenant l'alimentation d'un tube à décharge de gaz avec un gaz ou un mélange gazeux à une pression prédéterminée, caractérisé en ce 5 qu'il consiste à établir un champ électrique d'une cer- taine direction à travers ledit mélange gazeux,de ma- nière à ioniser les substances gazeuses, et à établir un champ magnétique perpendiculaire ou parallèle au champ électrique, ledit champ magnétique étant un champ axial, 10 ladite interaction de ces champs avec les substances ionisées engendrant une circulation du plasma qui a pour effet d'améliorer le transfert de chaleur de la région de gain aux parois, autorisant une plus grande puissance d'entrée et procurant une plus grande puissance de sortie 15 du laser comparativement aux lasers usuels de la même di- mension. A method for operating a gas discharge type laser, comprising feeding a gas discharge tube with a gas or gas mixture at a predetermined pressure, characterized in that it consists of establishing an electric field of a certain direction through said gaseous mixture, so as to ionize the gaseous substances, and to establish a magnetic field perpendicular or parallel to the electric field, said magnetic field being an axial field, said interaction of these fields with the ionized substances generating plasma circulation which has the effect of improving heat transfer from the gain region to the walls, allowing greater input power and providing greater output power from the compared to conventional lasers of the same size.

2. Procédé suivant la revendication 1, dans lequel les substances gazeuses sont confinées dans un espace annulaire entre une électrode axiale et une élec- 20 trode tubulaire coaxiale, caractérisé en ce que le champ électrique est un champ radial, l'intensité du champ élec- trique et du champ magnétique étant telle qu'une circula- tion du plasma est engendrée dans ledit espace annulaire entre les électrodes,et en ce que des moyens sont prévus 25 pour évacuer la chaleur du système. The process according to claim 1, wherein the gaseous substances are confined in an annular space between an axial electrode and a coaxial tubular electrode, characterized in that the electric field is a radial field, the electric field intensity and that the magnetic field is such that plasma flow is generated in said annular space between the electrodes, and that means are provided for removing heat from the system.

3. Dispositif laser à décharge de gaz ayant une puissance de sortie sensiblement accrue par rapport à celle d'un laser usuel de même type et de mêmes dimensions de région de gain, qui comprend un tube à décharge de gaz 30 (23) pourvu de moyens de maintien d'une pression prédéter- minée, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'éta- blissement d'un champ électrique suivant une certaine di- rection à travers ledit gaz et des moyens (27) d'établis- sement d'un champ magnétique axial perpendiculaire au 2615331 18 champ électrique, et un système usuel de miroirs optiques comportant des miroirs (37,38) opposes et en face l'un de l'autre aux extrémités du tube de décharge, l'émission laser résultante étant parallèle à la direction du champ 5 magnétique. A gas discharge laser device having an output power substantially increased over that of a conventional laser of the same type and size of gain region, which comprises a gas discharge tube (23) provided with means for maintaining a predetermined pressure, characterized in that it comprises means for establishing an electric field along a certain direction through said gas and means (27) for establishing of an axial magnetic field perpendicular to the electric field 2615331 18, and a conventional system of optical mirrors comprising mirrors (37,38) opposite and opposite each other at the ends of the discharge tube, the emission resulting laser being parallel to the direction of the magnetic field.

4. Laser suivant la revendication 3, dans lequel le gaz ou le mélange gazeux est confiné dans un espace annulaire (23) entre des éléments tubulaires co- axiaux concentriques (21,22), caractérisé en ceque le 10 champ électrique est un champ radial, le champ magnétique est essentiellement un champ axial, et le champ magnéti- que est supérieur à une valeur critique prédéterminée, ce qui a pour effet d'engendrer une circulation forcée du milieu gazeux ionisé ou plasma faiblement ionisé, et 15 en ce que des moyens d'évacuation de chaleur (25,32) sont prévus pour l'évacuation efficace de l'énergie thermique à partir des limites de la région à effet laser. 4. The laser according to claim 3, wherein the gas or gaseous mixture is confined in an annular space (23) between concentric coaxial tubular elements (21,22), characterized in that the electric field is a radial field. the magnetic field is essentially an axial field, and the magnetic field is greater than a predetermined critical value, which has the effect of generating a forced circulation of the ionized gaseous medium or weakly ionized plasma, and in that heat dissipation means (25, 32) are provided for the efficient evacuation of thermal energy from the boundaries of the laser effect region.

5. Laser suivant la revendication 3 ou 4, ca- ractérisé en ce qu'il comprend deux tubes coaxiaux élec- 20 triquement conducteurs (21,22) comportant à leurs extré- mités des collerettes (24,31) de type Rogovsky, des moyens pour emprisonner un milieu gazeux à une pression prédéterminée dans l'espace défini entre lesdits tubes, des mo- yens pour faire circuler ce milieu gazeux comme nécessaire, 25 des moyens d'établissement d'un champ électrique radial entre les deux éléments tubulaires (21,22), des moyens (27) d'établissement d'un champ magnétique perpendiculaire audit champ électrique, des miroirs appropriés (37,38) étant prévus en face dudit espace entre les tubes, aux 30 extrémités de ces derniers, et des moyens d'évacuation de chaleur étant prévus pour évacuer la chaleur de la ré- gion de gain du laser pendant le fonctionnement de celui- ci. 5. Laser according to claim 3 or 4, characterized in that it comprises two electrically conductive coaxial tubes (21,22) having at their ends ruffles (24,31) of the Rogovsky type, means for enclosing a gaseous medium at a predetermined pressure in the space defined between said tubes, means for circulating this gaseous medium as necessary, means for establishing a radial electric field between the two tubular elements ( 21,22) means (27) for establishing a magnetic field perpendicular to said electric field, suitable mirrors (37,38) being provided opposite said space between the tubes, at the ends thereof, and heat dissipating means being provided for removing heat from the laser gain region during operation thereof.

6. Laser suivant l'une quelconque des revendi- 35 cations 3 à 5, caractérisé en ce que la pression est 2615331 19 maintenue entre 3 torr environ et 200 torr environ, la tension appliquée varie entre 100 V environ et 1000 V en- viron, et le champ magnétique est compris entre un champ magnétique critique et 10000 gauss environ. 5 6. Laser according to any one of claims 3 to 5, characterized in that the pressure is maintained between about 3 torr and about 200 torr, the applied voltage varies between about 100 V and about 1000 V , and the magnetic field is between a critical magnetic field and about 10,000 gauss. 5

7. Laser suivant l'une quelconque des reven- dications 3 à 6, caractérisé en ce que l'aimant (27) utilisé-est un aimant permanent, un solénoïde, un aimant à supra-conducteur ou un aimant de Bitter. Laser according to any one of claims 3 to 6, characterized in that the magnet (27) used is a permanent magnet, a solenoid, a superconducting magnet or a Bitter magnet.

8. Laser suivant l'une quelconque des revendica- 10 tions 3 à 7,caractérisé en ce que les moyens d'évacua- tion de chaleur comprennent des échangeurs de chaleur à circulation de fluide ou des tubes d'échange de chaleur. Laser according to any one of claims 3 to 7, characterized in that the heat-removal means comprise fluid-circulating heat exchangers or heat exchange tubes.

9. Laser suivant l'une quelconque des revendica- tions 3 à 8, caractérisé en ce que le milieu gazeux uti- 15 lisé est du CO2, CO, NO2, un eximère ou tout autre gaz ou mélange gazeux approprié. 9. Laser according to any one of claims 3 to 8, characterized in that the gaseous medium used is CO2, CO, NO2, an eximer or any other suitable gas or gaseous mixture.

10.Laser suivant l'une quelconque des revendica- tions 3 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte une cavité optique interne ou externe. 20 10.Laser according to any one of claims 3 to 9, characterized in that it comprises an internal or external optical cavity. 20

11. Laser suivant la revendication 3, carac- térisé en ce qu'il comprend un élément central allongé (41) à deux faces duquel sont appliquées des électrodes (42,43), un conduit (44) entourant cette structure et au- quel sont appliquées deux électrodes (45,46) en face de 25 l'autre paire d'électrodes, chacune desdites paires d'é- lectrodes étant reliée aux différents pôles d'une source de tension continue, un milieu gazeux à une pression pré- déterminée étant introduit dans l'espace (51,52) défini par ledit conduit et entre lesdites paires d'électrodes, 30 des moyens étant prévus pour faire circuler un tel gaz ou mélange gazeux à travers ledit espace ou pour renou- veler ce gaz, un aimant (50) étant prévu autour de l'en- semble de la structure de manière à engendrer un champ magnétique perpendiculaire audit circuit électrique, des 35 moyens de conduction de la chaleur (55) étant prévus 2615331 20 dans ledit espace entre les paires d'électrodes, lesdits champs électrique et magnétique provoquant une circula- tion du plasma qui se trouve dans ledit espace,pendant le fonctionnement du laser,de manière à abandonner de la 5 chaleur aux moyens de conduction de chaleur, et un sys- tème optique usuel approprié étant prévu pour le fonc- tionnement du laser. 11. Laser according to claim 3, characterized in that it comprises an elongated central element (41) with two faces of which electrodes (42,43) are applied, a conduit (44) surrounding this structure and to which two electrodes (45,46) are applied opposite the other pair of electrodes, each of said pairs of electrodes being connected to the different poles of a DC voltage source, a gaseous medium to a pre-pressurized pressure. determined being introduced into the space (51, 52) defined by said duct and between said pairs of electrodes, means being provided for circulating such a gas or gas mixture through said space or for renewing said gas, a magnet (50) being provided around the assembly of the structure so as to generate a magnetic field perpendicular to said electrical circuit, heat conduction means (55) being provided in said gap between the pairs of electrodes, said electric and magnetic fields causing plasma to circulate in said space during operation of the laser so as to give up heat to the heat conduction means, and an appropriate conventional optical system is provided for the operation of the laser.